干湿循环及物理化学因素对红土-膨润土混合物的影响：体积特性与水力响应

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Effect of wet-dry cycles and physico-chemical factors on red soil-bentonite mixtures: volumetric and hydraulic response

红土-膨润土混合料在湿干循环及化学污染下的体积变形与渗透性响应研究。通过SEM和MIP分析发现，NaCl和CaCl2溶液导致诱导渗透势增加，大孔隙体积随湿干循环次数增加而显著扩张，使渗透系数从初始的1.56×10^-8 cm/s增至CaCl2污染下的3.2×10^-6 cm/s。30%膨润土掺量混合料在5次循环后仍满足设计标准（≤1×10^-7 cm/s），而10%掺量混合料在盐污染下渗透系数超标。

　　在现代垃圾填埋场的设计中，为了保护环境和公众健康，通常会采用不透水衬层系统来隔离废物和渗滤液。然而，这些衬层材料在实际使用中往往会受到环境负载的影响，导致其功能显著下降。这种影响主要来源于季节性气候和物理化学条件的变化，这些变化会改变衬层材料的体积变形和水力特性。因此，深入研究这些变化对于提升垃圾填埋场衬层材料的性能至关重要。

在这一背景下，研究者们开始关注天然土壤与膨润土混合材料的使用。膨润土是一种常见的用于垃圾填埋场衬层的材料，因为它具有良好的不透水性能。然而，目前关于湿干循环与化学污染对这种混合材料体积和水力行为影响的研究仍较为有限。因此，本研究旨在探讨湿干循环与化学污染对膨润土改良天然土壤（特别是印度红土）的体积变化和水力性能的影响，从而为设计更坚固和有效的衬层材料提供科学依据。

本研究中，研究人员将印度红土与10%、20%和30%的膨润土按重量比例混合，并对这些混合材料进行了交替湿干循环实验，使用蒸馏水、0.4 M NaCl溶液和0.4 M CaCl?溶液进行浸润。实验结果显示，所有红土-膨润土混合材料在压实状态下均满足水力渗透率的设计标准（≤1×10?? cm/s）。然而，在经历了湿干循环后，特别是当受到化学污染影响时，这些材料的水力性能出现了显著变化。这种变化主要表现为水力渗透率的增加，这与材料的微结构变化密切相关。

通过扫描电子显微镜（SEM）和汞侵入孔隙度（MIP）分析，研究人员发现，湿干循环导致了材料中孔隙体积的增加，尤其是在大孔隙（即介于颗粒之间的孔隙）中。同时，化学污染引起的渗透压梯度进一步加剧了这种孔隙体积的变化，影响了材料的水力特性。此外，湿干循环还促进了微裂纹的形成，这些裂纹在再次湿润时可能无法完全闭合，从而增加了材料的水力渗透性。这种现象在盐溶液（如NaCl和CaCl?）浸润的情况下更为明显，因为高浓度的盐离子会进一步破坏材料的结构，导致其水力性能下降。

实验结果还表明，膨润土的添加比例对材料的体积变化和水力性能有显著影响。具体而言，膨润土含量较低的混合材料（如90R-10B）在经历湿干循环后表现出更显著的体积变化和水力渗透率的增加。相反，膨润土含量较高的混合材料（如70R-30B）则在经历湿干循环后仍能保持较好的水力性能。这一发现强调了在设计垃圾填埋场衬层时，合理选择膨润土的添加比例对于维持其长期性能的重要性。

进一步的分析显示，水力渗透率的增加与材料中大孔隙体积的扩大直接相关。当材料受到盐溶液浸润时，渗透压梯度的增加导致了颗粒间的膨胀和结构的改变，从而形成了更多的连通孔隙。这些孔隙的形成不仅增加了材料的体积，还显著提高了其水力渗透率。因此，材料的微结构变化是影响其水力性能的关键因素。

研究还指出，随着湿干循环次数的增加，材料的体积变化逐渐趋于稳定，表明在实验室条件下，经过一定次数的循环后，材料的结构达到了某种平衡状态。然而，这种平衡状态并不一定意味着材料在实际应用中的长期稳定性。由于垃圾填埋场的环境条件复杂多变，包括温度波动、地下水化学变化等因素，这些都可能对材料的性能产生影响。因此，未来的研究需要在更接近实际条件的环境中进行，以验证这些材料在长期使用中的表现。

本研究的结论强调了在垃圾填埋场衬层设计中，必须综合考虑湿干循环和化学污染对材料性能的影响。通过合理的材料选择和设计，可以有效提高衬层的长期稳定性和水力性能，从而更好地保护环境和公众健康。此外，使用本地土壤进行改良不仅可以减少对自然地质条件的干扰，还能降低建设和监测成本，实现更加可持续的环境管理。这些发现为未来的垃圾填埋场设计提供了重要的参考，也为进一步研究提供了方向。